ANAYASAL TARTIŞMALAR

O desenvolvimento do sistema mecânico teve em conta um conjunto de aspetos considerados relevantes, onde se destacam a ergonomia, a força motriz/motricidade, a segurança, a estrutura de suporte envolvente, os elementos orgânicos, as características dos materiais, facilidade de aquisição e fabrico, normas, o respeito pelas normas, entre outras. O projeto final do sistema mecânico apresenta-se na Figura 16 e Figura 17, sendo possível verificar considerações técnicas gerais para o projeto no Anexo I e a análise detalhada de toda a estrutura no Anexo II.

Figura 16: Projeto final do sistema mecânico. Vista dimétrica superior

O sistema mecânico considera a utilização de uma mola em espiral plana, e com lâmina de secção retangular como elemento orgânico de base para acumulação e devolução de energia (potencial). Para acionamento do sistema, recorre-se a um volante ou manivela que se movimenta através de força humana.

a)

b)

Figura 17: Projeto final do sistema mecânico a) Vista dimétrica esquerda b) Vista frontal

Para o elemento orgânico acumulador de energia foi analisada a possibilidade de considerar diferentes tipos de mola existentes no mercado. A primeira opção passou por considerar molas de tração/compressão. No entanto, este tipo de molas obrigaria ao recurso a um sistema mecânico de maior complexidade. Assim, no sentido, de facilitar os elementos estruturais do

dispositivo, a escolha recaiu na opção que dizia respeito a uma mola espiral plana. A mola projetada, que se ilustra mais em detalhe na Figura 18 a) e b) é uma espiral plana, (sistema corda de relógio, com zona de encaixe em ambas as extremidades – acumulador de energia). A mola é fixa à estrutura de suporte na sua extremidade exterior, sendo a extremidade interior acoplada a um veio, e é através da rotação do veio que se comprimem as espiras. Para ponto de partida foi estabelecido que a mola deveria permitir entre 5 a 10 voltas, garantido uma acumulação de energia equivalente a um binário mínimo de 12 N.m. A mola é produzida em aço liga especial para fabrico de molas, com um módulo de Young de 207 GPa, coeficiente de Poisson de 0,3 e com as seguintes características dimensionais: secção transversal do arame de 11,5 mm*1,2 mm; 10 espiras úteis; diâmetro de 265 mm. Está ilustrada na Figura 18, sendo a) o modelo em 3D e b) a mola produzida final.

a) b)

Figura 18: Mola em Espiral: a) Modelo 3D; b) Modelo real final

O acoplamento da mola à estrutura de suporte é feita através de um bloco de encaixe e aperto, representado na Figura 19, a) e b). Este componente estrutural bloqueia a mola e é fixo à estrutura através de seis parafusos M5x65, da classe 8.8. A extremidade central da mola, que permite o movimento, é encaixada no veio através de ranhura com as dimensões do arame, sendo bloqueada através de uma flange apertada com dois parafusos M5x35 de classe 8.8.

a) b)

Figura 19: Fixador da mola a) Perspetiva geral. b) Detalhe do fixador da mola

A ação mecânica do sistema é iniciada através da força humana, pelo meio de um volante com apoio manual, ilustrado na Figura 20. O arranque do sistema, impulsionado pela força humana, deverá ser necessariamente cómodo, suave e seguro. Apesar da existência de um sistema de segurança mecânico, foi considerado um design do volante com arestas arredondadas para evitar ferimentos ou acidentes caso ocorram falhas do sistema. O acoplamento do volante ao veio é garantido por um escatel, com bloqueio na extremidade através de uma tampa e dois parafusos cónicos M5x20.

Figura 20: Modelo 3D do Volante/Leme

O sistema mecânico entre o veio do volante e o veio da mola incorpora uma escada de rodas dentadas, dimensionadas de modo a que qualquer indivíduo consiga realizar o movimento de rotação no volante, e consequentemente promover a acumulação de energia na mola, traduzido em termos práticos pelo equivalente a uma força inferior ao levantamento de um garrafão de água de cinco litros. Esta fase é designada como alimentação da mola do sistema.

O grupo de engrenagens do sistema mecânico deve complementarmente multiplicar a rotação do veio acoplado à mola, de modo a acionar o gerador de ímanes permanentes de baixa rotação, 600 rpm. Foi possível, através dos cálculos que se apresentam na Tabela 7, verificar a

necessidade de acoplamento em escada de um total de oito rodas dentadas, de modo a atingir o objetivo. Na Figura 21 a) e b) podem ser vistas seis das engrenagens dimensionadas. Identificam-se na Tabela 7, quatro engrenagens com diâmetro 124 mm, duas engrenagens com diâmetro 20 mm, uma engrenagem com 15 mm, outra com 60 mm de diâmetro, acopladas a quatro veios bi-apoiados nas extremidades e com diâmetros de 16 mm.

Tabela 7: Dimensionamento do grupo de engrenagens

A escolha feita para o grupo dimensionado recaiu em engrenagens cilíndricas, com dentes retos e módulo m=1. De referir que este é o tipo de engrenagem mais comum e mais económico existente no mercado.

a) b)

Figura 21: a) Escada de engrenagens dimensionada b) Veios de acoplamento de engrenagens

A transmissão mecânica feita entre engrenagens tem a designação de relação de transmissão, também conhecida por relação de velocidades. Num acoplamento típico entre duas engrenagens, uma das rodas é designada por roda motora e a outra por roda movida. Apesar de ser possível o engrenamento entre mais do que duas rodas, no sistema desenvolvido optou-se pelo engrenamento simples com duas rodas. Neste caso, a relação de transmissão é obtida pela relação entre as velocidades de rotação das duas rodas. A relação de transmissão pode também ser obtida através da conjugação do número de dentes da roda motora e da roda movida, a equação (Eq.28) [26] traduz a relação de transmissão:

Veio nº Voltas Roda > Roda < rpm x 10 1 Razão

Transmissão [i] 1 10 124 10 1,00 9,77 0,80 12,21 2 62 20 124 62 6,20 6,20 7,81 0,80 9,77 3 384 20 124 384 38,44 6,20 6,25 0,80 7,81 4 3178 15 124 3178 317,77 1,33 5,00 0,80 6,25 Gerador 6567 60 6567 657 2,07 4,00 0,80 5,00 Minutos

� = =�_�

A rotação das rodas é garantida através de um conjunto de veios, de secção circular maciça, que estão representados na Figura 21 - b). Todas as rodas são fixas nos veios através de chavetas. Os veios são bi-apoiados em rolamentos encaixados na estrutura de suporte e freados nas suas extremidades. Deste modo garante-se que o veio é apoiado e pode rodar livremente com atrito desprezável permitindo maior rendimento na transmissão de potência. Os veios foram dimensionados através do código ASME B106.1M-1985, admitindo rendimentos de 100 % na transmissão de potência. O Anexo II ilustra com maior detalhe todos os acoplamentos do sistema mecânico.

Os veios dimensionados têm diâmetro de 16 mm, e o seu comprimento nunca é maior que a largura da estrutura, o que corresponde a 168 mm, uma vez que não são extensíveis até ao exterior, tanto por questões técnicas, como pelo design.

Quanto aos rolamentos dimensionados para o projeto foram considerados dois tipos: rolamentos de esferas rígidas e rolamentos antirretorno. Os rolamentos de esferas rígidas caracterizam-se por ter no seu interior rolamentos de esferas, que permitem a rotação. Quanto aos rolamentos antirretorno, estes permitem movimento em apenas um sentido. São muito úteis em sistemas que seja necessário controlar sentidos de movimentos dos elementos orgânicos existentes. Considerando que a exposição do utilizador perante o sistema no que toca a forças é elevada foi necessário considerar um sistema de segurança, ilustrado com detalhe na Figura 22, a) e b). A solução compreende um sistema de bloqueio e antirretorno. O invólucro da estrutura serve naturalmente de barreira física contudo, e para diminuir a probabilidade de ocorrência de acidentes, foi dimensionado o sistema de segurança. Este consiste em evitar danos, no caso de a mola estar carregada com a sua energia potencial máxima e por alguma razão se liberte da fixação. A mola helicoidal e patilha garante o sistema de segurança, isto é, amortiza as oscilações provocadas por uma eventual falha a jusante destes elementos orgânicos.

a) b)

Figura 22: a) Sistema de segurança - Desenho 3D b) Detalhe do sistema de segurança

O posicionamento do volante e o acionamento do sistema de bloqueio e segurança em oposição espacial à mola de acumulação de energia e ao gerador elétrico cria uma barreira/fronteira entre a zona de operação e a localização do armazenamento de energia que representa um potencial de risco elevado.

Assim, está garantido o carregamento do sistema eletromecânico, sendo possível realizar a tarefa de forma continuada ou através de pausas entre cada volta.

O propósito do projeto é que a acumulação de energia desencadeada pelo movimento do volante em contacto com a mola e engrenagens seja capaz de responder aos objetivos, de uma forma segura e cómoda.